Tras una irradiación prolongada, se activan las defensas de las células madre humanas
Investigadores de varios institutos rusos, incluido el MIPT, han descubierto cómo la exposición prolongada a la radiación ionizante afecta a las células madre humanas. Descubrieron que provoca un retraso en el ciclo celular, lo que conduce a reparaciones más rápidas de las roturas de doble cadena de ADN inducidas por radiación, con menos errores. No está claro cuáles son las implicaciones para la salud, en particular cómo afecta esto al riesgo de desarrollar cáncer. El artículo fue publicado en Oncotarget.
Cuando las estadísticas no sirven
Para un físico, una linterna común o una radio portátil son, entre otras cosas, fuentes de radiación, y la radiación ionizante es el nombre científico apropiado de los rayos de alta energía en los que piensa una persona común cuando escucha la palabra “radiación”. Viene en diferentes tipos, incluidos rayos X, rayos gamma y corrientes de varias partículas. La radiación ionizante es capaz de convertir átomos y moléculas neutrales en iones cargados. El cuerpo humano está inevitablemente expuesto a la radiación, y una persona promedio recibe alrededor de 3 miligramos de radiación de fondo natural al año. Además, un examen de rayos X equivale a entre 0,001 y 10 miligramos de exposición adicional, según el procedimiento exacto. Dicho esto, la sobreexposición es peligrosa: una dosis de más de 1000 miligrays recibida en un breve período de tiempo provoca una enfermedad por radiación aguda.
Para garantizar la seguridad radiológica, es vital que podamos evaluar con precisión los riesgos que plantea la radiación ionizante. Los estudios de personas que estuvieron expuestas a la radiación solo han establecido de manera concluyente el aumento del riesgo de cáncer como resultado de recibir una dosis alta de radiación. Esto llevó a las autoridades reguladoras a aceptar un modelo lineal, según el cual las dosis bajas de radiación también aumentan el riesgo de cáncer. Sin embargo, los experimentos demostraron que la exposición a dosis bajas de radiación no tuvo ningún efecto biológico adverso o incluso fue beneficiosa, como lo demuestra la prolongación de la vida y la aparición menos frecuente de cáncer. Aparte de eso, no se debe pasar por alto la importancia de la llamada tasa de dosis. La exposición a dosis iguales de radiación durante intervalos de tiempo más cortos o más largos tiene un efecto diferente, y la irradiación «lenta» causa menos daño. La medida en que la tasa de dosis afecta los resultados biológicos ha sido motivo de mucho debate. Debido a que en un entorno de la vida real, es más probable que las personas se enfrenten a una exposición prolongada a dosis bajas de radiación, es crucial que comprendamos sus efectos.
Roturas de doble cadena de ADN
Uno de los efectos negativos de la radiación es la formación de las denominadas roturas de doble cadena de ADN, en las que se cortan ambas cadenas de la doble hélice. Afortunadamente, la célula es capaz de reparar el ADN dañado. Si una de las dos hebras está dañada, la otra puede usarse para revertir esto. Sin embargo, en el caso de una rotura de doble cadena, se deben emplear otros mecanismos, más propensos a errores. Si no se reparan o se reparan mal, tales lesiones pueden dar lugar a enfermedades oncológicas. Esto explica por qué la investigación sobre los efectos de la radiación en las células vivas tiende a centrarse en las roturas de doble cadena. No hace mucho tiempo, se descubrió que las células madre (células funcionalmente indiferenciadas) desempeñan un papel importante en la formación de tumores al acumular mutaciones y transmitirlas a las células especializadas que son sus descendientes. Sin embargo, la respuesta de las células madre a la irradiación prolongada sigue sin comprenderse bien.
Los científicos realizaron varios experimentos utilizando células madre derivadas de las encías. Trataron las células con dosis de radiación idénticas administradas durante períodos de tiempo largos y cortos. La formación de roturas de doble cadena se controló usando proteínas γH2AX y 53BP1 teñidas como marcadores. Con una exposición breve pero intensa a la radiación, se encontró que la incidencia de ambos marcadores aumenta linealmente con la dosis. Pero en el caso de la irradiación prolongada, la respuesta fue lineal solo hasta cierto punto, seguida de una meseta en 1000 miligrays. En otras palabras, después de alcanzar un cierto número, el recuento de lesiones no continúa aumentando. Se logra una especie de equilibrio entre la formación de roturas y la reparación.
Reparación de ADN
La célula viene equipada con sistemas de reparación capaces de reparar roturas de doble cadena de ADN. Sin embargo, después de una irradiación intensa, la célula tiene que recurrir a un mecanismo conocido como unión de extremos, un procedimiento rápido pero defectuoso, en ocho de cada 10 roturas de doble cadena. Esto a menudo conduce a aberraciones cromosómicas. Tales reparaciones incorrectas de las roturas del ADN pueden potencialmente resultar en la muerte celular, la activación del oncogén y la supresión del antioncogén. Pero existe un mecanismo alternativo de reparación del ADN, llamado recombinación homóloga. Utiliza una molécula de ADN similar o idéntica como plantilla y produce muchos menos errores, pero solo está disponible durante ciertas fases del ciclo celular. Los investigadores monitorearon la recombinación homóloga utilizando Rad51, otro marcador proteico. Durante una exposición de dos horas de duración, la cantidad de Rad51 se mantuvo aproximadamente constante, seguida de un crecimiento lineal posterior. El equipo planteó la hipótesis de que la irradiación prolongada podría activar la recombinación homóloga.
División celular
Las células madre se pueden dividir en dos grupos, llamados proliferantes y quiescentes, donde las primeras se dividen y las segundas han dejado de reproducirse, y existe un equilibrio entre los dos tipos de células. Los investigadores contaron las roturas de doble cadena de ADN en las células en proliferación y en reposo por separado. Esto es posible gracias a cierta proteína que solo se encuentra en las células que se dividen. Resultó que, en ambos tipos de células, el número de roturas de ADN creció, alcanzando eventualmente un valor constante.
También se observó que la exposición a la radiación no cambiaba la proporción aproximada de 4 a 1 entre las células en proliferación y las células inactivas. Sin embargo, una investigación más detallada reveló que cuatro horas de irradiación «lenta» dieron como resultado un número considerablemente mayor de células en las fases S y G2 del ciclo, es decir, la síntesis de ADN y la preparación final para la división, respectivamente. Es durante estas fases que una copia del ADN de la célula está disponible para la división, pero también para usarse como molde en la recombinación homóloga. Este hecho es una explicación probable para la detección de mayores cantidades del marcador Rad51. Dicho de otro modo, la irradiación provoca un retraso en el ciclo celular con la consecuencia de que, en un momento dado, hay más células en aquellas fases que permiten la recombinación homóloga. Esto significa que es posible reparar roturas de doble cadena de ADN correctamente.
“Hemos demostrado que la irradiación prolongada de células madre mesenquimales conduce a la redistribución del ciclo celular. Esto podría influir en la respuesta biológica a la radiación”, dice Sergey Leonov, director de la Escuela Phystech de Física Biológica y Médica. «Nuestros hallazgos podrían convertirse en la base de futuras investigaciones sobre las dobles rupturas en las células madre y su efecto en la formación de tumores».
